Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Принцип действия фотодиодов



ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОСП

В ВОСП в качестве приемных устройств используются полупроводниковые фотодиоды. Фотодиод преобразует оптическую энергию в электрическую. ФД в наибольшей степени удовлетворяют предъявляемым требованиям к фотоприемным устройствам оптических систем.

Требования к фотоприемным устройствам ВОСП:

1. Для получения эффективного оптоэлектронного преобразования спектральные характеристики фотоприемника и источника должны быть согласованы.

2. При преобразовании фотоприемник должен вносить минимально возможные шумы и искажения, то есть иметь низкий уровень шумов, обладать требуемой чувствительностью, быстродействием и динамическим диапазоном.

3. Конструкция фотоприемника должна обеспечивать надежное соединение с оптическим волокном.

4. Длительный срок службы и возможность использования в интегральных схемах.

 

Наибольшее применение в ВОСП получили p-i-n фотодиоды (PIN), лавинные фотодиоды (ЛФД, APD).

 

Принцип действия фотодиодов

 

Принцип действия любого фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте, который заключается в увеличении электропроводности вещества при его освещении. В фотопреобразовательном режиме последовательно с ФД включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении.

Р-i-n фотодиод имеет трехслойную структуру: высоколегированные области p+, n+ с большой концентрацией свободных носителей (дырок и электронов) и сравнительно протяженный обедненный носителями (слабо легированный) i– слой. Легирование примесями по заданному профилю обеспечивает характерное распределение потенциалов, при котором все прикладываемое к ФД напряжение сосредоточено в i-слое. для повышения эффективности преобразования фотон-электрон необходимо, чтобы фотоны попадали в i-слой.

Если на фотодиод не воздействуют фотоны, то в его структуре протекает слабый темновой ток, обусловленный тепловыми движениями зарядов. Темновой ток ограничивает уровень минимально детектируемой мощности сигнала.

При падении фотонов на i-слой происходит генерация свободных носителей (электронов и дырок), так как кванты света выбивают электроны из валентных связей полупроводника. Время жизни носителей, образованных в i-слое, намного превышает их время жизни в p- и n- слоях (где они быстро рекомбинируют). Носители, под воздействием высокого напряжения обратного смещения, быстро смещаются к границам обедненной зоны, при этом замыкается цепь и начинает протекать фототок.

 

 

Рисунок 4.1 - Структура p-i-n фотодиода

 

Фототок Iф>0, если Еф³Еg. Оптический сигнал считается преобразованным в электрический, если выполняется соотношение lр£lгр, где lр - рабочий диапазон длин волн, - определяет длинноволновую границу чувствительности фотодиода.

lгр – длина волны, до которой оптический сигнал может быть преобразован в электрический, так как при превышении пороговой длины волны энергии фотона не достаточно для возникновения фотоэффекта.

Структура ЛФД дополнительно содержит слаболегированный слой p-. К ЛФД подводится высоковольтное питающее напряжение, близкое к напряжению пробоя. Профиль примесей обеспечивает условия, при которых напряжение максимально сосредоточено в р- слое. При возникновении носителей в i-слое, электроны в р- слое с высоким ускоряющим напряжением, соударяются с узлами кристаллической решетки и в результате ударной ионизации выбивают дополнительные электроны. (Носители в сильном электрическом поле приобретают избыточную энергию, достаточную для создания новых пар носителей зарядов за счет ударной ионизации). В результате в переходе вблизи пика напряженности поля происходит умножение носителей. Поскольку вновь появившиеся носители в свою очередь способствуют ударной ионизации, то число носителей лавинообразно увеличивается, что вызывает усиление фототока.

Коэффициент умножения фототока определяется из соотношения:

 

(4.1)

где Uп – напряжение пробоя ЛФД;

Uд – напряжение смещения, подаваемое на ФД;

М – характеризует чистоту полупроводника.

Коэффициентом М трудно управлять, так как он зависит от температуры и напряжения . Поэтому эти параметры необходимо жестко стабилизировать.

 

 

Рисунок 4.2 - Структура ЛФД




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.